Ziel der Entwicklung
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung von Demonstratoren neuartiger MEMS-IR-Strahler, die sogenannten High-Performance- (HP-) Strahlern in den optischen Parametern nahekommen, ohne aufwändige und kostspielige Spezialprozesse einsetzen zu müssen. Dazu sollte die Prozesskette gegenüber den HP-Strahlern deutlich vereinfacht sein, aber dennoch das spektrale und räumliche Abstrahlverhalten auf dem Niveau aktueller HP-Strahler erreicht werden.
Die hohe Effizienz und das nahezu ideale Schwarzkörperverhalten verfügbarer HP-Strahler wird durch aufwändige Spezialbeschichtungen erreicht. Dabei handelt es sich je nach Hersteller um Metall-Metalloxid-Systeme mit Mikro und Nanotextur. Die große Herausforderung bei der Entwicklung solcher Schichten ist das abgestimmte Thermo-mechanische Verhalten dieser Beschichtungen zu den darunter liegenden planaren Widerstands-Heizelementen, da die aktiven Gebiete, Temperaturen zwischen 20 und 850°C schadlos und über viele Millionen Heiz-Zyklen überstehen müssen. Die Abscheidung, Funktionalisierung und Strukturierung dieser emissionsverbessernden Schichten verursachen sehr hohe Kosten.
Der Lösungsansatz im Projekt TeSIS benötigt keine nachträglichen Beschichtungen. Stattdessen wird das Substrat vor der Abscheidung der Widerstands-Heizelemente texturiert. Durch die nachfolgende Abscheidung der Heizelemente wird diese Textur übertragen und bleibt nach Entfernen des Substrats erhalten. Die resultierenden thermischen Strahler verfügen dann bereits *ohne* eine nachträgliche Beschichtung über eine vorteilhafte Textur, was sich positiv auf den Emissionsgrad, die Effizienz und die Fertigungskosten auswirkt.
Vorteile und Lösungen
Der wesentliche Vorteil ist eine deutliche Kostenreduktion bei der Herstellung von thermisch emittierenden MEMS-IR-Strahlern. Durch den Verzicht auf die nachträgliche funktionalisierte und strukturierte Beschichtung können die Kosten um etwa 50 Prozent gegenüber HP-Strahlern reduziert werden. Gleichzeitig reduziert sich die Komplexität und Durchlaufzeit der Waferfertigung. Weiterhin ist zu erwarten, dass positive Effekte bei der Langzeitstabilität und Lebensdauer auftreten werden. Dies ist Gegenstand noch laufender Untersuchungen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Hauptanwendung der verbesserten IR-Strahler sind optische und photoakustische Gassensoren, insbesondere solche Anwendungen, die auf die hohe Lichtleistungen im mittleren IR-Spektralbereich zwischen sieben und zehn Mikrometer angewiesen sind. Im Fokus stehen Sensorsysteme, die zur Erfassung von Kohlenwasserstoffen ausgelegt sind, vor allem Alkohol. Solche Sensoren kommen beispielsweise zur Messung der Atemalkoholkonzentration zum Einsatz, wie es bei KfZ-Neuzulassungen in der EU ab 2022 vorgeschrieben ist. Aber auch in einigen medizinischen Anwendungen werden Anforderungen gestellt, die bisher nur von HP-Strahlern erreicht werden konnten.
Der Markt für solche Sensoren hat sich im Laufe der Projektbearbeitung weiterhin gut entwickelt und folgt dem prognostizierten Wachstum im oberen einstelligen Prozentbereich pro Jahr (CAGR). Aktuelle Marktstudien zu diesem Anwendungsfeld versprechen weiterhin starkes Wachstum mit nunmehr über zehn Prozent Steigerung pro Jahr in den kommenden fünf Jahren.
Die Anwendung der Entwicklungsergebnisse erfolgt durch enge Kooperation mit Transferunternehmen. Zu den Transferunternehmen zählen insbesondere Hersteller von IR-basierten Sensoren und Messgeräten (vor allem kleine und mittlere Unternehmen und Zulieferer) aber auch Massenfertiger aus der Halbleiter-Sensor-Industrie. Für die Erstgenannten ist das CiS Forschungsinstitut in der Lage, anwendungsspezifische und hochfunktionale IR-Komponenten zu entwickeln und anschließend in Kleinserie zu fertigen. Übersteigt der Bedarf dieser Unternehmen die Kapazitäten des CiS Forschungsinstitutes, kann ein Technologietransfer zu großen Halbleiter-Produzenten erfolgen.
